DIY Mała przydomowa elektrownia wiatrowa - Elektronika

Elektronika, system sterowania małej elektrowni wiatrowej.

Nie jest dużym problemem wyprodukować prąd. Problemem jest ujarzmić ów prąd tak, by pracował na naszą korzyść.
Tak kiedyś wyglądała "Sterownia" w piwnicy. Na zdjęciu widać układ z przetwornicą "firmową" o mocy ciągłej 600W. Układ zatrzasku zabezpiecza akumulator przed nadmiernym rozładowaniem. Jeśli napięcie spadnie poniżej 11.5V układ odłączy przetwornicę i przełączy się na prąd z sieci (do tego celu służy przekaźnik na płytce zatrzasku oraz przekaźnik podłączony do zacisków 220V przetwornicy). Jeśli w trakcie ładowania napięcie na zaciskach akumulatora przekroczy 13.0V układ automatycznie przełączy się znowu na przetwornicę.

W trakcie użytkowania elektrowni zauważyłem, iż warto wykorzystywać każdy wiatr - stąd ustawione na 13V napięcie przełączenia na prąd z wiatru. Gdy napięcie na ładowanym akumulatorze przekroczy 14.4V włączy się dwustopniowy układ zabezpieczenia, który będzie ograniczał prąd ładowania. Układ ten widoczny jest z lewej strony. Licznik mierzy tylko prąd produkowany przez przetwornicę - wiadomo ile się zaoszczędziło (za ile nie trzeba będzie zapłacić).

Uproszczony schemat elektryczny małej elektrowni wiatrowej.

Generalnie, w przypadku pracy z akumulatorami, całość elektroniki i akumulatory powinny znajdować się możliwie blisko elektrowni wiatrowej z uwagi na spore straty przesyłowe niskich napięć. W chwili obecnej całość instalacji wygląda jak na schemacie powyżej. Elektronikę przy maszcie elektrowni wiatrowej z elektroniką w piwnicy łączą dwa dwużyłowe przewody w których płynie 230V prądu przemiennego, z tym, że jednym przewodem przesyłany jest prąd ZE służący do awaryjnego podładowywania akumulatorów a drugim prąd wytwarzany w przetwornicy gdy ta pracuje. W domu znajduje się tylko przekaźnik przełączający prąd pomiędzy sieciami ZE i elektrowni wiatrowej gdy pracuje przetwornica popularnie zwany Automatyczny przełącznik źródła zasilania Schemat przedstawia przykładową instalację 12V. W przypadku wyższych napięć należy zastosować urządzenia pracujące w odpowiednim zakresie napięć.

Automatyczny przełącznik źródła zasilania, APZ.

Automatyczny przełącznik źródła zasilania generalnie służy do zachowania ciągłości zasilania, tj. przełączania wydzielonego obwodu pomiędzy przetwornicą a siecią dostawcy. Takie przełączenie powinno być realizowane zarówno dla przewodów fazowych jak i neutralnych. Automatyczny przełącznik zasilania można używać również jako zabezpieczenie awaryjne, przełącznika faz, etc. - kwestia odpowiedniego podłączenia czy konfiguracji.

Przełącznik może być wykonany jako natychmiastowy lub opóźniony. Przełącznik natychmiastowy przełącza obwody nie powodując przerw w zasilaniu obwodu wydzielonego. Przełącznik opóźniony stosuje się wszędzie tam, gdzie wymagana jest niewielka przerwa w zasilaniu obciążenia. Takim przypadkiem jest obciążenie indykcyjne (silniki), które powinny się zatrzymać nim zostaną ponownie uruchomione. Chodzi tu różnice przesunięć fazowych źródeł zasilania, które do 120 stopni jest akceptowalne, powyżej już nie bardzo...

Automatyczny przełącznik źródła zasilania składa się z modułu logiki oraz odpowiedniego przekaźnika/przekaźników (najczęściej), choć można go wykonać również w wersji bez logiki.

Ale teraz mała uwaga: Wszyscy producenci przekaźników podają maksymalne obciążenie styków przekaźnika dla obciążeń rezystancyjnych czyli AC-1. Jeśli ktoś zechce podłączać czy przełączać linie których obciążeniem są silniki indukcyjne powinien sprawdzić do jakiej mocy można stosować takowy przełącznik i czy w ogóle można stosować go do przełączania obciążeń indukcyjnych.

Poniżej linki do sklepu gdzie można nabyć sprawdzone rozwiązania:

Sterownik przetwornicy, Przełącznik-Zatrzask (komparator okienkowy).

Z uwagi na dużą ilość zapytań odnośnie możliwości podłączenia "markowych" przetwornic posiadających funkcję SoftStartu, postanowiłem zmodyfikować układ tak, by była możliwość podłączenia takiej właśnie przetwornicy. Przekaźniki przełączające pomiędzy zasilaniem miejskim a przetwornicą zostały przeniesione i są sterowane przez napięcie 230V z przetwornicy.
Chcę tu podkreślić, iż rozwiązanie te należy stosować w obydwu przypadkach - zarówno wykonując przetwornicę w/g poniższego opisu jak również korzystając z przetwornic "markowych". Sterowanie przetwornicą "markową" odbywa się poprzez złącze [remote] na płytce zatrzasku.
Proszę zauważyć, iż przetwornica jest podłączona non stop do zasilania, a jej włączenie następuje w wyniku zadziałania przekaźnika, który zwiera włącznik na obudowie przetwornicy (wymaga to niewielkiej przeróbki przetwornicy). W stosunku do poprzedniej wersji, nowy sterownik-zatrzask posiada wydłużony czas zestyku dla przekaźnika podającego napięcie na przetwornicę oraz mniejszą wrażliwość na chwilowe spadki napięcia poniżej ustawionego progu przełączenia układu na sieć. Dzięki temu nie występuje drganie zestyku i możliwe jest włączanie urządzeń pobierających duży prąd rozruchowy. Elementy służące do regulacji napięć, tj. PR1 i PR2 to potencjometry wieloobrotowe 3296/64Y/67Y. Dodatkowo w układzie została zastosowana modyfikacja toru wykonawczego pomysłu Kolegi kubuspucharek z forum wiatraki.memu.pl, dzięki której uprościła się procedura ustawienia parametrów jego pracy. W przypadku zasilania 24V proszę zastosować 7812 zamiast 7809 oraz odpowiednie przekaźniki.

UPS - zasilacz awaryjny zamiast przetwornicy do przydomowej elektrowni wiatrowej.

Ostatnimi czasy w górę, oprócz magnesów neodymowych, poszły również zasilacze awaryjne UPS szczególnie te z napięciem wyjściowym sinusoidalnym - nie wiem z jakiej przyczyny, bo to zastanawiające "kto" "ten rynek" nakręca... [pytanie retoryczne]
Natomiast również z uwagi na to, iż dostaję sporo zapytań jak takowy UPS podłączyć do przydomowej elektrowni wiatrowej - postanowiłem, że temat rozwiążę kompleksowo, tak by była możliwość podłączenia dowolnego UPSu bez dokonywania w nim przeróbek co jest o tyle istotnym elementem z uwagi na utratę gwarancji po otwarciu obudowy/zerwaniu plomb. Drugi problem to konieczność monitorowania wyjścia UPSu tak, by sterownik przełączania sieci znał "status" UPSu. Chodzi generalnie o to, by po przełączeniu na pracę z baterii i np przeciążenia przetwornicy UPSu (która wyłączy go) nie zostać bez prądu, gdyż z uwagi na poziom naładowania baterii linia zatrzasku sieci będąc w stanie wysokim nie przełączy (przywróci) zasilania na sieć ZE. Dobrze jeśli UPS potrafi automatycznie przywrócić zasilanie po ustaniu przeciążenia, jeśli trzeba zrobić to ręcznie to chwilowo nie mam pomysłu jak to rozwiązać.

Powyższy schemat przedstawia najprostsze rozwiązanie. Za pomocą przekaźnika odłączamy UPS od siec ZE, ten automatycznie przełączy się na pracę z baterii. Przekaźnik sterowany jest np przez wyjście J3 sterownika-zatrzasku, lub jeśli ktoś używa sterownika mikroprocesorowego na Atmega8 to do wejścia ZE podłączamy sieć ZE a do wyjścia ZE/EW przewód zasilający UPSu. Dysponując czasem wolnym postaram się zaprojektować układ posiadający większą funkcjonalność.

Przetwornica - koncepcja kol. Michał z forum elektroda.pl.

Cytat za Autorem:
Zaprojektowana przetwornica jest układem umożliwiającym zasilanie urządzeń wymagających zasilania 220V AC w warunkach awarii sieci energetycznej lub w sytuacjach gdzie brak jest do niej dostępu. Zalety przetwornicy docenią osoby spędzające wakacje pod namiotem czy na biwaku. Przetwornica została sprawdzona praktycznie i współpracowała prawidłowo z następującymi odbiornikami:

  • odbiorniki telewizyjne oraz radiowe,
  • żarówki, świetlówki,
  • pompy cyrkulacyjne pieca CO, (buczą - wiadomo - prostokąt)
  • elektronarzędzia (wiertarki, szlifierki), (j.w.)
  • komputery,
  • zasilacze.

Przebieg na wyjściu nie jest sinusoidalny lecz zbliżony do prostokątnego.

Desulfator - urządzenie do odsiarczania akumulatorów.

W wielkim skrócie układ ten służy do pielęgnacji akumulatora celem uniknięcia zasiarczenia, czyli stopniowej krystalizacji do której dochodzi na płytach baterii, czyniąc ją elektrycznie nieaktywnymi.
Profilaktyczne używanie układu pozwoli na znaczne wydłużenie życia akumulatorów minimalizując skutki zasiarczenia, pozwoli również na odratowanie starych zasiarczonych akumulatorów. Desulfator powinien być non stop podpięty pod baterię, należy jednak kontrolować poziom naładowania baterii (lub stosować automatykę), gdyż urządzenie ją dość szybko rozładowuje - około 1A/24 godziny.
Oryginał, autorstwa Alastair Coupera, można pobrać tu (proszę zapoznać się z erratą). Urządzenie działa poprawnie z nowymi lub zasiarczonymi akumulatorami. Urządzenie nie naprawi zwartej celi.

Kilka słów w odniesieniu do ładowarek z odsiarczaniem które zalały ostatnimi czasy rynek. Jeśli ktoś uważa, że produkt jakim jest prostownik z funkcją odsiarczania, w pierwszym cyklu ładowania (czyli przez około trzy godziny) odsiarczy akumulator przywracając tym samym pojemność to szczerze zazdroszczę stopnia optymizmu, bo niestety tak nie będzie.
Proces desulfacji to proces czasochłonny, należałoby nawet napisać bardzo czasochłonny. Po 2-3 dniach ciągłej desulfacji dopiero będzie widać czy taki proces ma sens. Weryfikacja efektu procesu następuje poprzez badanie rezystancji wewnętrznej akumulatora lub spadku napięcia przy obciążeniu w określonej jednostce czasu. Jeśli ktoś chce powiększyć swoją wiedzę m.in. o czasie procesu to odsyłam do stron PulseTechu, który zaopatruje USArmy w urządzenia do desulfacji akumulatorów.

Podwajacz napięcia.

Jeśli chodzi o układ podwajacza napięcia to są to klasyczne rozwiązania prostowników które można znaleźć w sieci. Ten bardziej po prawej jest prostownikiem trójfazowym pracującym w układzie gwiazdy, ale do poprawnej pracy potrzebuje "zera" wychodzącego ze środka gwiazdy. Napięcie jakie powinno się otrzymać na wyjściu powinno wynieść 2,82U (U = napięcie na fazie) przy założeniu C>2mF/1A. Schemat znajdujący się po lewej stronie (ten zawierający cztery diody prostownicze) jest propozycją powielacza niesymetrycznego Kolegi Rzuuf z forum elektroda.pl. Jest to rozwiązanie do prądnic w których nie da się wyprowadzić "zera" ze środka gwiazdy. W tym przypadku jedna z faz będzie traktowana jako "zero", będzie również znacznie bardziej obciążona niż pozostałe. Napięcia z tego układu będzie znacznie wyższe.

Kontroler - Regulator ładowania elektrowni witrowej (shuntregulator).

Proponowany układ - regulator ładowania elektrowni wiatrowej, służy do dołączania dodatkowego odbiornika w momencie jak napięcie ładowania przekroczy próg ustawiony (tu akurat w postaci grzałki - element obciążeniowy). Dzięki takiemu zabiegowi następuje zmniejszenie obrotów, co w konsekwencji pociąga za sobą zmniejszenie napięcia produkowanego przez prądnicę a tym samym i napięcia na zaciskach akumulatorów. Maksymalna moc elementu podłączanego pod IRFZ40 nie powinna przekraczać 250W przy zasilaniu 12V. Jeśli zaistnieje potrzeba podłączania większych mocy konieczne będzie albo zastosowanie baterii tranzystorów mos lub wykonanie kilku układów w postaci kaskady.

Zespół prostowniczy - prostownik małej elektrowni wiatrowej.

A dlaczego nie zwykły 30-to amperowy mostek za 2.50pln albo trochę droższy trójfazowy? A dlatego, że, moim zdaniem, warto zainwestować w elementy które znacznie przewyższają parametrami standardowe diody prostownicze.
Dioda Schottky to:

  • mniejszy o połowę spadek napięcia w stosunku do krzemowej (ale to nie reguła),
  • mała pojemność złącza - za tym idzie jej szybkość.

Mniejszy spadek napięcia to więcej prądu który dotrze do akumulatorów. Mała pojemność złącza to możliwość pracy w szerokim zakresie częstotliwości - z tym sobie nie radzą zupełnie diody krzemowe.
U siebie zastosowałem baterię składającą się z 6 sztuk diod B40250TG co widać na dołączonym zdjęciu. Diody oczywiście mogą być inne tj. pracujące w zakładanym zakresie napięć, oraz na odpowiednie natężenie.

Sterownik mikroprocesorowy elektrowni wiatrowej.

Dostałem od Pana Krzysztofa Krawca do udostępnienia mikroprocesorowy sterownik przydomowej elektrowni wiatrowej. W skład paczki wchodzi plik źródłowy, gotowy "hex" do zaprogramowania oraz schematy, ja zaś od siebie dołączam plik .brd do Eagle.

Sterownik ten pracuje w zakresie napięć od 12V do 99V, załącza przetwornicę oraz przerzutnik sieci w regulowanej histerezie. Górny zakres ładowania akumulatorów pilnuje przerzutnik PWM , czyli jako ograniczenie mocy wystarczy jedna grzałka dużej mocy.
Wszystkie informacje o wartościach wyświetlane są na wyświetlaczu 2x16, czyli aktualna wartość napięcia, napięcie załączenia przetwornicy próg górny oraz dolny, oraz wartość napięcia przy którym włącza się dodatkowe obciążenie PWM.
Procesor należy ustawić na 4MHz. Do złącza JP1 podłączyć należy bazy tranzystorów takich jak na sterownikach analogowych jako element wykonawczy sterujący przetwornicą, power switch oraz PWM.

Magazynowanie energii z małej elektrownii wiatrowej.

Wytwarzanie prądu niesie za sobą pewien problem. W przypadku klasycznych elektrowni gdzie prąd wytwarzany jest w efekcie ciągłego spalania węgla - planowanie produkcji opiera się o miesięczne średnie godzinowe prognozy zużycia. Przy nadwyżce, produkowana energia będzie bezpowrotnie utracona jeśli nie zostanie zmagazynowana np przez elektrownie szczytowo-pompowe w energii potencjalnej wody.
W przypadku przydomowej elektrowni wiatrowej sprawa wygląda jeszcze ciekawiej, bo produkcja najczęściej odbywa się w godzinach w którychdomownicy są poza domem (w pracy) i nie zużywają produkcji na bieżąco.

W związku z tym, iż nie posiadam możliwości jak w projekcie ADELE, muszę w jakiś sposób gromadzić wytworzoną energię. Generalnie w moim zasięgu finansowym są dwa rozwiązania: gromadzenie prądu w akumulatorach lub gromadzenie energii w cieczy - niestety oba nieoptymalne, trzeba więc wybrać mniejsze zło.

Magazynowanie energii w akumulatorach.

Jeśli traktować akumulatory jako magazyn energii wyprodukowanej w elektrowni wiatrowej to wypadają one biednie, bo:
Klasyczny akumulator kwasowo-ołowiowy (rozruchowy) o pojemności 100Ah jest w stanie zmagazynować przy dobrych układach 850W czyli równowartość 60 groszy. Iloczyn wartości przechowywanej energii oraz pełnych cykli da kwotę 400 x 60gr = 24000gr = 240zł, gdzie średni koszt zakupu akumulatora wynosi 450zł. Baterie dedykowane Li-Po: np SE100AHA wypadają lepiej jeśli chodzi o parametry, tj. ilość cykli pracy którą producent określa na 2500. Ogólna wartość energii wyniesie 2500 x 60gr = 150000gr = 1500zł. Średni koszt zakupu to 1900zł dla czterech ogniw (jedno ogniwo 3,2V 100Ah).

W jakikolwiek sposób by nie liczyć - nie opłaca się magazynować prądu w akumulatorach, gdyż inwestycja w ich zakup nigdy się nie zwróci. Jednak jest jedno ale...

Jeśli traktować akumulatory nie jako pojemnik z prądem (na okres gdy nie wieje) a jako kompensator napięcia chwilowego to sprawa wygląda już zupełnie inaczej. Wtedy nie ma konieczności brania pod uwagę ilości cykli pracy, bo nie chodzi o posiadanie prądu gdy nie wieje, a o w miarę stabilne parametry napięciowe dla urządzeń które pod te akumulatory są podpięte. Proszę pamiętać, że w tym modelu nie jest brana pod uwagę produkcja zużyta bezpośrednio, gdyż nie została zmagazynowana w akumulatorach, a więc nie zaliczona do pełnych cykli pracy akumulatorów.

Magazynowanie energii w cieczy.

Wzór który pozwala policzyć moc jaką trzeba dostarczyć, by podgrzać określoną objętość cieczy o określoną ilość stopni Celsjusza w określonym czasie wygląda tak: P = ( Cp x T x V ) / czas
gdzie:
Cp - ciepło właściwe cieczy (woda = 4180)
T - delta temperatur [st.C]
V - objętość cieczy [l]
czas - czas [s]

przykład: policzymy jaką moc trzeba dostarczyć by podgrzać o 10st.C wodę w zbiorniku o pojemności 300 litrów w czasie 1 godziny, P = (4180 x 10 x 300) / 3600 = 3483W
Moja pierwsza elektrownia (500W), zakładając maksymalną produkcję, w ciągu dziesięciu godzin pracy podgrzałaby wodę w zbiorniku o 14 stopni Celsjusza. Ta którą posiadam dziś podgrzeje wodę dwukrotnie szybciej. Niestety ilość dni w których mamy do dyspozycji moc maksymalną jest kilkanaście, może kilkadziesiąt w roku.

Układ mieszany jako magazyn energii.

Najbardziej rozsądne wydaje się zastosowanie układu mieszanego, gdzie w trakcie ładowania akumulatory pozwolą utrzymać stabilne parametry napięciowe dla przetwornicy a ewentualna nadwyżka z produkcji będzie kierowana poprzez układ shunregulatora do grzałki w wymienniku c.w.u. Dzięki temu układ zabezpieczenia grzeje nie powietrze a wodę, bo jak by nie patrzeć: małą stratę lepiej przetransferować w mały zysk.

Na skróty